半導體工藝薄膜生長工藝

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上海卷柔新技術光電有限公司是一家專業研發生產光學儀器及其零配件的高科技企業，公司2005年成立在上海閔行零號灣創業園區，專業的光電鍍膜公司，技術背景依托中國科學院，卷柔產品主要涉及光學儀器及其零配件的研發和加工；光學透鏡、反射鏡、棱鏡，平板顯示，安防監控等光學鍍膜產品的開發和生產，為全球客戶提供上等的產品和服務。

在半導體制造工藝中薄膜的生長這一步也是極為重要以及關鍵的一環。集成電路在制造過程中需要在晶圓片的表面上生長數層材質不同、厚度不同的膜層，其中有導電膜層以及絕緣膜層，這些膜層的制備對于集成電路的制造非常重要。薄膜生長技術，也可稱作制作膜層的方法，薄膜生長技術有很多，不同作用，不同位置的薄膜生長技術不同，如化學氣相沉積（CVD）、物**相沉積(PVD)、熱氧化、外延幾大類。

薄膜制備方法的分類

一、物**相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）

PVD是指采用物理方法：濺射鍍膜、離子體鍍膜、真空蒸發和分子束外延等等，在芯片或者晶圓表面形成薄膜。在集成電路的產業中，濺射鍍膜是使用較多的PVD技術，主要是用來做金屬電極和金屬互聯。濺射鍍膜是指在高度真空（1×10 -7～9×10 -9 Torr）的條件下，同時腔室內通入稀有氣體，例如氬氣。氬氣在外加電場的作用下電離變成氬離子，并在高電壓的環境下去轟擊靶材，撞擊出靶材的分子或者原子，過程中經過無碰撞到達晶圓表面，從而形成薄膜。這里的氬氣由于本身化學性質穩定，所以并不會和靶材以及晶圓發生反應。

當集成電路芯片進入銅互連時代，銅的阻擋材料層采用了氮化鈦或者氮化鉭薄膜，產業技術的需求推動了對化學反應濺射技術的研發，即在濺射腔里，除了氬氣，還有反應氣體氮氣，這樣從靶材Ti或Ta轟擊出來的Ti或Ta與N2反應，生成所需的TiN或TaN薄膜[1]。常用的濺射方式有3種，即直流濺射、射頻濺射和磁控濺射。由于集成電路的集成度不斷提高，多層金屬布線的層數越來越多，PVD工藝的應用也更為廣泛。PVD材料包括Al-Si、Al-Cu、Al-Si-Cu、Ti、Ta、Co、TiN、TaN、Ni、WSi2等等。原理如下圖：

在濺射工藝中主要考慮的是形成薄膜的電阻值、均勻性、應力以及反射率厚度等等。

二、化學氣相沉積工藝（Chemical Vapor Deposition，CVD）

CVD是指不同分壓的多種氣相狀態反應物在一定溫度和氣壓下發生化學反應，生成的固態物質沉積在襯底材料表面，從而獲得所需薄膜的工藝技術。在一些傳統集成電路制造工藝中，所獲得的薄膜材料一般為氧化物、氮化物、碳化物等化合物或多晶硅、非晶硅等材料。在45nm節點后比較常用的選擇性外延技術，如源漏SiGe或Si選擇性外延生長，也是一種CVD技術，這種技術可在硅或其他材料單晶襯底上順著原有晶格繼續形成同種類或與原有晶格相近的單晶材料。CVD廣泛用于絕緣介質薄膜（如SiO2、Si3N4和SiON等）及金屬薄膜（如鎢等）的生長。在一定溫度下，基本的化學反應為

SiH4+O2→ SiO2+2H2

SiH4+2PH3+O2→SiO2+2P+5H2

SiH4+B2H6+O2→SiO2+2B+5H2

3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2

當然用來作為反應的氣體還有N2O、Si（C2H5O）4、SiCl2H2、WF6等。

按照壓力分類：常壓化學氣相沉積（Atmosphere Pressure CVD，APCVD）、亞常壓化學氣相沉積（Sub Atmosphere Pressure CVD，SAPCVD）和低壓化學氣相沉積（Low Pressure CVD，LPCVD）；

按照溫度分類：高溫/低溫氧化膜化學氣相沉積（HTO/ LTO CVD）和快速熱化學氣相沉積（Rapid Thermal CVD，RTCVD）

按照反應源分類：硅烷基化學氣相沉積（Silane-based CVD）、聚酯基化學氣相沉積（TEOS-based CVD）和金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）

按照能量分類：熱能化學氣相沉積（Thermal CVD）、等離子體增強化學氣相沉積（Plasma Enhanced CVD，PECVD）和高密度等離子體化學氣相沉積（High Density Plasma CVD，HDPCVD）

目前還發展出縫隙填充能力極好的流動性化學氣相沉積（Flowable CVD，FCVD）。不同的CVD生長的膜的特性（如化學成分、介電常數、張力、應力和擊穿電壓）都有差別，可根據不同的工藝要求（如溫度、臺階覆蓋率、填充要求等）而分別使用。CVD工藝示意圖如下圖所示。

三、原子層沉積工藝（Atomic Layer Deposition，ALD）

ALD是指通過單原子膜逐層生長的方式，將原子逐層沉淀在襯底材料上。典型的ALD采用的是將氣相前驅物交替脈沖式地輸入反應器內的方式。例如，**步將反應前驅物1通入襯底表面，并經過化學吸附，在襯底表面形成一層單原子層；**步通過氣泵抽走殘留在襯底表面和反應腔室內的前驅物1；第三步通入反應前驅物2到襯底表面，并與被吸附在襯底表面的前驅物1發生化學反應，在襯底表面生成相應的薄膜材料和相應的副產物；當前驅物1完全反應后，反應將自動終止，這就是ALD的自限制特性，再抽離殘留的反應物和副產物，準備下一階段的生長；通過不斷地重復上述過程，就可以實現沉積逐層單原子生長的薄膜材料。ALD與CVD都是通入氣相化學反應源在襯底表面發生化學反應的方式，不同點在于CVD的氣相反應源不具有自限制生長的特性。由此可見，開發ALD技術的關鍵是尋找具有反應自限制特性的前驅物。

由于ALD逐層生長薄膜的特點，所以ALD具備以下幾個優點：極好的臺階覆蓋能力、 

極高的沉積均勻性和一致性、能較好地控制其制備薄膜的厚度、成分和結構等等。

正是因為ALD具有的**的臺階覆蓋能力和溝槽填充均勻性，十分適用于柵極側墻介質的制備，以及在較大高寬比的通孔和溝槽中的薄膜制備。ALD技術在產業中的主要應用領域為柵極側墻生長、高k柵介質和金屬柵、銅互連工藝中的阻擋層、MEMS、光電子材料和器件、有機發光二極管材料、DRAM及MRAM的介電層、嵌入式電容等各類薄膜。缺點當然也很明顯，和優點對立，生長薄膜的速率慢。

來源：原創 尕輝 Lightigo

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